高層建筑結(jié)構(gòu)設計問題及對策分析

陳弢

藝城設計有限公司 浙江 杭州 310051

在經(jīng)濟發(fā)展的帶動下，我國城市化發(fā)展進程逐漸的加快了步伐，建筑行業(yè)處于快速穩(wěn)定的發(fā)展狀態(tài)中。隨著人們居住需求的提升，高層建筑的發(fā)展迎來了新的機遇，但是建筑工程的質(zhì)量與人們的生命財產(chǎn)安全有著密切的關聯(lián)，同時高層建筑的質(zhì)量又不易控制，所以建筑企業(yè)要加強對高層建筑結(jié)構(gòu)設計的重視，不斷的引進新的設計理念和技術(shù)，這樣才能保證高層建筑結(jié)構(gòu)設計的合理性和科學性，從而有效的提升建筑物的質(zhì)量，為人們提供安全舒適的生活空間。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特征

近年來，高層及超高層建筑不斷涌現(xiàn)，而隨著建筑高度的提升，結(jié)構(gòu)受力狀況也呈現(xiàn)出不同的情形，抗震隔減震設計的要求也越來越高。在高度較低的建筑物中，來自風荷載和地震作用的影響并不明顯，而隨著高度的不斷提升，水平位移的影響逐漸加強，結(jié)構(gòu)底部彎矩剪力逐漸增大，建筑結(jié)構(gòu)水平位移也不斷增大。為保證建筑使用的安全性和舒適性，相關設計人員要充分的考慮到各個影響因素，從規(guī)范和實際經(jīng)驗出發(fā)，提升結(jié)構(gòu)設計的合理性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設計中的問題

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)布置形式缺乏合理性

在高層建筑的設計工作中，結(jié)構(gòu)布置形式不合理是比較常見的問題。合理的結(jié)構(gòu)布置形式是結(jié)構(gòu)體系的前提和保證，忽視結(jié)構(gòu)布置形式的選型，會導致設計圖紙缺乏一定的合理性，大幅度的降低了建筑工程的質(zhì)量，留下了巨大的安全隱患。另一方面，在結(jié)構(gòu)設計工作期間，設計人員不僅要考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向布置，同時還要加強對構(gòu)件水平布置的重視，并結(jié)合隔減震設計形成合理的結(jié)構(gòu)體系，否則將無法保證建筑整體的安全性和穩(wěn)定性。由此可見，建筑結(jié)構(gòu)布置形式缺乏合理性將對建筑工程造成嚴重的影響[1]。

2.2 地基基礎的設計不科學

在高層建筑結(jié)構(gòu)設計工作中，地基基礎設計至關重要。設計期間的基礎選型工作若不夠科學嚴謹，會大幅度的降低建筑物的承載力。與此同時，相關設計人員對施工現(xiàn)場場地環(huán)境的考察不夠深入，同時在設計期間沒有考慮到各種參數(shù)的實際情況，只是結(jié)合自身的工作經(jīng)驗進行設計工作，從而導致地基基礎的承載性能無法滿足工程的實際需求。另一方面，如果地基的設計不科學，其承載能力會被大幅度削減，而建筑企業(yè)為了保證其荷載達到相關的規(guī)范，在施工期間投入了更多的材料。這樣不僅會增加建筑企業(yè)的施工成本，同時也浪費了大量的資源。

2.3 建筑超出規(guī)定高度的問題

高層建筑的建設是為了節(jié)約土地資源，促進我國城市化進程的發(fā)展。在高程建筑的設計工作中，對其高度也有明確的規(guī)范和要求。但是在實際的建筑工程開展過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)建筑高度超出標準的問題，這會對建筑工程造成嚴重的影響。導致建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性嚴重下滑。另一方面，由于建筑高度過高，其對各種外界因素的防預能力明顯下降，從而無法保證人們的生命財產(chǎn)安全[2]。

2.4 短肢剪力墻的設置問題

短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用，但是很多設計人員對其的設置卻存在一定的問題，其數(shù)量和位置與工程的實際需求不符合，從而導致其自身的性能無法得到充分的體現(xiàn)，并且在建筑物投入使用后，其穩(wěn)定性會受到嚴重的影響，對人們的安全造成巨大的威脅。如果建筑物受到自然災害的影響，很容易引發(fā)相關的安全事故，從而造成人員傷亡和經(jīng)濟損失等嚴重的問題。

2.5 高層建筑中的扭轉(zhuǎn)問題設計

目前，在高層建筑結(jié)構(gòu)設計方面，需要保持三心盡可能的匯聚于一點，三心為建筑結(jié)構(gòu)的剛度中心、幾何形心、結(jié)構(gòu)重心，保持三心合一，方可表面建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的問題。若是在高層建筑結(jié)構(gòu)設計的時候，并沒有把控好三心，當三心沒有匯聚到一點的時候，極為容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)的問題，特別是在水平力的作用之下，會對高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毀壞性的作用，這對于高層建筑的質(zhì)量及性能必然產(chǎn)生不利影響。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設計的技術(shù)要點

目前，高層建筑結(jié)構(gòu)設計方面需要把控好的技術(shù)要點比較多，如：需要合理計算高層建筑體型的高寬比例；需要保持建筑的平面、體型、立面的質(zhì)量與剛度的勻稱，保持整個建筑的穩(wěn)定性，等等。在眾多高層建筑結(jié)構(gòu)設計要點中，需要從抗風、抗震、防火等方面的結(jié)構(gòu)設計來做好技術(shù)要點控制工作。

3.1 抗風結(jié)構(gòu)設計

從高層建筑物來看，層數(shù)多、高度高則是其最為明顯的特點，所以高層建筑物不同于其他建筑物，在建筑物表面上，更容易改變風的流動性和空氣的動力效應。在樓層柔軟的部分，風和空氣會產(chǎn)生動力形式和靜力形式，在此基礎上會產(chǎn)生一定的震動，這種震動力會對樓層的墻體、裝飾結(jié)構(gòu)以及支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，必然會對高層建筑的穩(wěn)定性產(chǎn)生消極的影響。所以，在高層結(jié)構(gòu)設計的時候，必須做好相應的抗風結(jié)構(gòu)設計處理，以此來消除自然因素影響帶來的安全隱患。

3.2 抗震結(jié)構(gòu)設計

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計方面，通常情況下抗震結(jié)構(gòu)設計都是高層建筑結(jié)構(gòu)設計的難點所在。由于不同區(qū)域?qū)τ诘卣疬@一自然因素的實際情況都有所差異，，計算出來的數(shù)據(jù)并不是所有的區(qū)域都適用，這就需要針對施工現(xiàn)場所在區(qū)域進行抗震結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計算，分析各種影響因素，并確保設計人員技術(shù)水平，這樣才能夠確保抗震設計的完善性。

3.3 防火結(jié)構(gòu)設計

目前，我國的相關法律已經(jīng)明確的指出，對于高層建筑結(jié)構(gòu)的消防設計上，必須保證消防設計的合理化、科學化，由于高層建筑的樓層數(shù)量比較多，建筑材料有著易燃性的特點，且高層結(jié)構(gòu)不利于火勢的控制。一旦發(fā)生火災，那么高層結(jié)構(gòu)存在著疏散困難的特點，所以在高層建筑防火結(jié)構(gòu)設計的時候，必須在排煙系統(tǒng)、疏散通道等方面做好設計，滿足實際需求。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化對策

4.1 加強對結(jié)構(gòu)設計中性能設計的重視

建筑結(jié)構(gòu)設計的主要目的就是保證其相關的性能符合實際的需求，所以設計人員需不斷對建筑結(jié)構(gòu)的各種性能進行優(yōu)化和完善，從而保證高層建筑的質(zhì)量，為人們打造安全的生活環(huán)境。所以在實際的設計工作中，相關工作人員要做到以下幾點。首先，要加強對建筑延性設計的關注，這種性能可以在建筑物面臨重大自然災害時發(fā)揮出作用，有效避免建筑出形變和倒塌的問題。與此同時，設計人員還要意識到水平荷載計算的重要性，高層建筑結(jié)構(gòu)在同一個方向會受到風荷載及等效地震荷載的反復作用，隨著時間的推移就會造成建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水平位移的狀況，所以結(jié)構(gòu)設計工作期間，工作人員要加強對其的控制。另一方面，設計人員必須要保證高層建筑的穩(wěn)定性，而保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有很多，需要設計人員在多個方面進行深入的考慮。比如避免短肢剪力墻不利布置，提升建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面有著重要的作用[3]。

4.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)基礎體系選型設計

在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，工作人員要科學的選擇基礎形式，這樣才能提升結(jié)構(gòu)設計的合理性，從而提高建筑工程的質(zhì)量。然而在部分高層建筑結(jié)構(gòu)設計工作中，相關設計人員對基礎選型工作沒有深入的理解，導致建筑工程結(jié)構(gòu)設計無法滿足地基的承載需求。這樣就會對高程建筑的施工作業(yè)和后期的使用帶來了一定的隱患，很容易出現(xiàn)位移和沉陷的問題。所以在進行基礎體系的選型設計時，工作人員要充分的考慮到工程的實際情況，對施工現(xiàn)場進行詳細的考察，通過對土質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水位等因素的分析，總結(jié)出相關的數(shù)據(jù)信息，從而合理的選擇基礎形式。另一方面，設計人員還要深入的考慮施工成本和相關的技術(shù)工藝等，結(jié)合建筑企業(yè)自身的實力和工程的實際需求制定出最佳的選型方案，從而加強地基基礎形式有效性[4]。

4.3 保證結(jié)構(gòu)設計圖紙的合理性

科學合理的設計圖紙是保證建筑工程順利開展的基礎，其不僅展示了設計的理念和方式，同時也通過圖紙將相關的信息傳遞給工作人員。一份合格的圖紙，不僅可以清晰地展示結(jié)構(gòu)設計的主要內(nèi)容和相關細節(jié)，同時還能通過相關的標注來提示工作人員施工中的難點和重點。但是在很多高層建筑結(jié)構(gòu)設計工作中，設計圖紙缺乏一定的合理性和完整性，這樣就會使結(jié)構(gòu)設計與實際的施工狀況出現(xiàn)差異，從而導致結(jié)構(gòu)設計無法滿足相關的需求，大幅度的降低了建筑工程的質(zhì)量。所以相關設計人員要在以下幾個方面加強對圖紙合理性的把控。第一，相關設計人員對高層建筑施工現(xiàn)場進行深入的考察，詳細的測量和記錄相關的數(shù)據(jù)，從而為結(jié)構(gòu)設計工作提供可靠的參考。第二，要對考察的數(shù)據(jù)進行分析和整合，尤其是施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件和其周圍的環(huán)境，對建筑工程的質(zhì)量有著直接的影響。所以，設計人員要對其進行研究和分析，同時結(jié)合高層建筑的功能性等制定合理的設計方案。第三，設計人員要將相關的數(shù)據(jù)合理的應用到結(jié)構(gòu)設計中，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)外形的準確計算，保證結(jié)構(gòu)的布置和承載力符合實際的需求，從而有效的提升設計圖紙的合理性。第四，在圖紙設計完成后，相關工作人員要對其進行嚴格的檢查，及時的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計中的問題并加以修改，從而保證設計圖紙的質(zhì)量。

4.4 保證結(jié)構(gòu)設計參數(shù)計算的準確性

高層建筑結(jié)構(gòu)設計工作具有很強的復雜性，其中會涉及到很多參數(shù)信息，并且需要工作人員進行詳細的計算。如果相關參數(shù)的準確性不能得到保證，將會對建筑結(jié)構(gòu)造成嚴重的影響，同時還會造成其他結(jié)構(gòu)設計的計算結(jié)果出現(xiàn)偏差的問題，從而使整體結(jié)構(gòu)設計的參數(shù)失去了可靠性。這樣就會降低建筑工程的質(zhì)量。所以，相關設計人員要對結(jié)構(gòu)設計中的數(shù)據(jù)進行嚴謹?shù)挠嬎?，并盡量采用2個以上結(jié)構(gòu)計算模型進行包絡，從而保證每一個環(huán)節(jié)所應用的數(shù)據(jù)的準確性，同時還要保證相關數(shù)據(jù)通過嚴格的復核，這樣才能將其應用到下一個設計階段，保證整體結(jié)構(gòu)設計環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息的準確性。另一方面，在進行數(shù)據(jù)計算的過程中，設計人員要嚴格的遵守相關的計算標準，保證自身使用的數(shù)據(jù)具有一定的可靠性。并且設計人員不能通過主觀的判斷來進行數(shù)據(jù)的推算，也不能簡化相關的計算流程，保證數(shù)據(jù)的計算工作從始至終按部就班的完成，從而保證高層建筑結(jié)構(gòu)設計參數(shù)的準確性[5]。

4.5 制定合理的抗風結(jié)構(gòu)設計方案

在高層建筑結(jié)構(gòu)設計的時候，若想確保建筑結(jié)構(gòu)具備較高的抗風性能，一是要確保建筑結(jié)構(gòu)基礎的穩(wěn)固，在基礎設計的時候選用高級砂石，并在基礎持力層設計的時候，增加抗拔錨桿；二是強化高層建筑內(nèi)部能耗結(jié)構(gòu)的設計，以此來降低風力對建筑物的影響；三是在設計的時候需要控制水平力對高層建筑的影響程度，選用高性能混凝土，減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力，降低安全隱患；四是需要對高層建筑結(jié)構(gòu)的實際承載力和康風莉進行驗算，設定一個標準，在此基礎上制定一個放大系數(shù)，保證高層結(jié)構(gòu)的抗風性能。

4.6 制定合理的抗震結(jié)構(gòu)設計方案

目前，對于高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計上，依舊存在著諸多的難點，所以為了改善高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，當前則需要從以下幾點著手：一是在設計的時候合理的布置抗力構(gòu)件，通過改變抗側(cè)力構(gòu)件位置的方式來構(gòu)成水平方向上的平力分布系統(tǒng)，加強豎直方向上的側(cè)立結(jié)構(gòu)性能，形成一套應力分布體系，降低水平方向的對稱在地震中的破壞程度，提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；二是強化高性能剪力墻的設計，適當?shù)脑黾訅w和樓板的剛度來控制建筑的位移情況，從而實現(xiàn)抗震的目標；三是由于地震期間，高層建筑的低級容易被毀壞，所以在抗震結(jié)構(gòu)設計的時候，需要通過增加樁基埋深的方式來增強樁基和上部結(jié)構(gòu)的聯(lián)動性，增強高層建筑基礎的抗震能力；四是在高層建筑結(jié)構(gòu)設計的時候，可以通過對扶壁、筒口等進行簡單化的處理，保證建筑物的對稱性，增強整體結(jié)構(gòu)的剛度和連續(xù)性。

4.7 制定合理的防火結(jié)構(gòu)設計方案

目前，對于高層建筑防火結(jié)構(gòu)的設計上，首先需要做的就是強化防火結(jié)構(gòu)間距離的控制，依據(jù)高層建筑施工現(xiàn)場的地形條件，對其進行合理的處理。對于高層建筑材料的使用上，盡量選用耐火性強的材料，減少對易燃材料的使用，從而達到防火的效果。另外，在疏散系統(tǒng)的設計上，因為高層建筑物的疏散屬于垂直狀態(tài)的，在人員疏散方面存在著難度，所以在建筑結(jié)構(gòu)設計的時候，需要增加雙通道、防煙區(qū)、耐火區(qū)、避難層等設施，這樣就可以在一定程度上增強建筑結(jié)構(gòu)的防火能力。同時，在高層建筑結(jié)構(gòu)設計的時候，還需要設計隔離結(jié)構(gòu)，這樣就可以在一定程度上避免火勢的快速蔓延，還能夠有效的提升建筑物整體的消防能力。

5 結(jié)束語

在社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的當前，高層建筑逐漸的成為了城市中主流的建筑結(jié)構(gòu)形式。并且為了滿足人們生活和工作等需求，高層建筑工程項目還在不斷的增加，因此其結(jié)構(gòu)設計以及相關安全問題得到了社會各界的關注和重視。所以在高層建筑結(jié)構(gòu)設計工作期間，相關工作人員要制定科學合理的結(jié)構(gòu)設計方案，及時的發(fā)現(xiàn)并解決設計工作中的問題，這樣才能有效的提升結(jié)構(gòu)設計的科學性和有效性。通過對結(jié)構(gòu)設計的合理規(guī)劃，可以實現(xiàn)對各種影響因素的有效控制，從而提升高層建筑的質(zhì)量，促進我國建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。